(57)【要約】      （修正有）【課題】微小凹面の形状誤差を非接触で高速・高精度に計測できる微小凹面形状の形状誤差機上計測方法及びその計測装置を提供する。【解決手段】微小凹面２２に対向する対物レンズ２３と、集束光を発する光源モジュール２５と、集束光の光軸２６と軸心２７を共通にするレンズ鏡筒２８と、撮像素子２９と、レンズ鏡筒２８と撮像素子２９間に配置されたマイクロレンズアレイ３１と、コンピュータとを備え、レンズ鏡筒２８が共焦点を有する２個のレンズ４１、４２と、共焦点に配置されたピンホール４４とを有し、対物レンズ２３を通して集光される集束光の集光位置と、微小凹面２２の曲率中心とを同じくして測定系を構成し、微小凹面から反射されマイクロレンズアレイ３１により撮像素子２９上に形成された光線列の各重心位置と、事前に求めた微小凹面２２が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、微小凹面２２の形状誤差を算出する。【選択図】図２
2007033263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、
光源を有して集束光を発する光源モジュールと、
前記集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、
撮像素子と、
前記レンズ鏡筒と前記撮像素子間に配置されたマイクロレンズアレイと、
演算処理機能を有するコンピュータとを備え、
前記レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、前記共焦点に配置されたピンホールとを有し、
前記対物レンズを通して集光される前記集束光の集光位置と、前記微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系を構成し、
前記コンピュータにより、前記撮像素子上に達する前記微小凹面から反射され前記マイクロレンズアレイにより形成された光線列を取り込み、
前記撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた前記微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、前記微小凹面の形状誤差を算出する
ことを特徴とする微小凹面形状の形状誤差機上計測方法。
【請求項２】
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの一方の焦点面と、前記マイクロレンズアレイの一方の焦点アレイとを一致させ、
前記マイクロレンズアレイの他方の焦点アレイの前方あるいは後方に光軸と直交するように前記撮像素子を配置し、
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの他方の焦点位置を前記対物レンズの焦点位置に合わせ、
前記事前に求めた微小凹面が理想形状の場合の光線列の重心位置として、前記コンピュータにより事前に計算された重心位置を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測方法。
【請求項３】
被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、
光源を有して集束光を発する光源モジュールと、
前記光源と前記対物レンズ間にあって前記微小凹面からの反射光に影響しない位置に配置されて光線列を形成するマイクロレンズアレイと、
前記集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、
撮像素子と、
演算処理機能を有するコンピュータとを備え、
前記レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、前記共焦点に配置されたピンホールとを有し、
前記対物レンズを通して集光される前記集束光の集光位置と、前記微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系を構成し、
前記コンピュータにより、前記撮像素子上に達する前記微小凹面から反射された光線列を取り込み、
前記撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた前記微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、前記微小凹面の形状誤差を算出する
ことを特徴とする微小凹面形状の形状誤差機上計測方法。
【請求項４】
前記光線列を平行にするコリメータレンズを配置し、
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの一方の焦点面から前方あるいは後方に光軸と直交するように前記撮像素子を配置し、
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの他方の焦点位置を前記対物レンズの焦点位置に合わせ、
前記事前に求めた微小凹面が理想形状の場合の光線列の重心位置として、前記コンピュータにより事前に計算された重心位置を用いる
ことを特徴とする請求項３記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測方法。
【請求項５】
前記マイクロレンズアレイに代えて回折格子を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測方法。
【請求項６】
前記事前に求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置として、
前記対物レンズの焦点位置と曲率中心位置を同一にして置かれた被測定対象物の要求仕様以上の形状精度を有する球面鏡、あるいは前記対物レンズの焦点位置に置かれた前記光軸に垂直な平面鏡からの反射光の光線列の重心位置を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測方法。
【請求項７】
被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、
光源を有して集束光を発する光源モジュールと、
前記集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、
撮像素子と、
前記レンズ鏡筒と前記撮像素子間に配置されたマイクロレンズアレイと、
演算処理機能を有するコンピュータとを備え、
前記レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、前記共焦点に配置されたピンホールとを有し、
前記対物レンズを通して集光される前記集束光の集光位置と、前記微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系が構成され、
前記コンピュータにより、前記撮像素子上に達する前記微小凹面から反射され前記マイクロレンズアレイにより形成された光線列を取り込み、
前記撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた前記微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、前記微小凹面の形状誤差を算出するようにして成る
ことを特徴とする微小凹面形状の形状誤差機上計測装置。
【請求項８】
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの一方の焦点面と、前記マイクロレンズアレイの一方の焦点アレイとが一致され、
前記マイクロレンズアレイの他方の焦点アレイの前方あるいは後方に光軸と直交するように前記撮像素子が配置され、
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの他方の焦点位置が前記対物レンズの焦点位置に合わされ、
前記事前に求めた微小凹面が理想形状の場合の光線列の重心位置として、前記コンピュータにより事前に計算された重心位置が用いられて成る
ことを特徴とする請求項７記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測装置。
【請求項９】
被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、
光源を有して集束光を発する光源モジュールと、
前記光源と前記対物レンズ間にあって前記微小凹面からの反射光に影響しない位置に配置されて光線列を形成するマイクロレンズアレイと、
前記集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、
撮像素子と、
演算処理機能を有するコンピュータとを備え、
前記レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、前記共焦点に配置されたピンホールとを有し、
前記対物レンズを通して集光される前記集束光の集光位置と、前記微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系が構成され、
前記コンピュータにより、前記撮像素子上に達する前記微小凹面から反射された光線列を取り込み、
前記撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた前記微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、前記微小凹面の形状誤差を算出するようにして成る
ことを特徴とする微小凹面形状の形状誤差機上計測装置。
【請求項１０】
前記光線列を平行にするコリメータレンズが配置され、
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの一方の焦点面から前方あるいは後方に光軸と直交するように前記撮像素子が配置され、
前記レンズ鏡筒の２個のレンズの残りの他方の焦点位置が前記対物レンズの焦点位置に合わされ、
前記事前に求めた微小凹面が理想形状の場合の光線列の重心位置として、前記コンピュータにより事前に計算された重心位置が用いられて成る
ことを特徴とする請求項９記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測装置。
【請求項１１】
前記マイクロレンズアレイに代えて回折格子が用いられて成る
ことを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測装置。
【請求項１２】
前記事前の求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置として、
前記対物レンズの焦点位置と曲率中心位置を同一にして置かれた被測定対象物の要求仕様以上の形状精度を有する球面鏡、あるいは前記対物レンズの焦点位置に置かれた前記光軸に垂直な平面鏡からの反射光の光線列の重心位置が用いられて成る
ことを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載の微小凹面形状の形状誤差機上計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密機械工作において、精密加工の高精度化、高能率化を目的とした、微小凹面形状誤差の精密な機上計測方法及びその計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より微小凹面形状の加工に精密機械加工が行われている。この場合、工作機械における工具の運動誤差や取付け誤差に起因した誤差があると、加工形状精度の劣化や工具寿命の低下を来すなど、加工上で障害となっている。この点に関して、被測定物を工作機械から取り外して微小凹面形状の形状誤差を計測し、誤差の起因となっている工具の運動誤差や取付け誤差を補正して再加工することが行われている。
【０００３】
例えば触針式輪郭形状測定器では、触針を被測定物に接触させつつ一方向に走査して微小凹面形状の断面形状誤差を測定した後、触針を微小凹面から離して元の位置に戻し走査方向と直角方向にわずかに移動して新たな断面の形状誤差を計測することを繰り返し、微小凹面形状誤差を、微小凹面全体に渡り計測している。
【０００４】
また、非接触光学式自動焦点計測器では、微小凹面の微小領域にレーザを出射する対物レンズの焦点を自動的に合せつつ一方向に走査して微小凹面形状の断面形状誤差を計測し、これを複数断面に渡り繰り返すことで、微小凹面全体に渡り計測している。
レーザ顕微鏡およびレーザプローブ式測定器では、レーザ光を光の触針として一横行に走査して断面形状誤差を計測している。
【０００５】
さらに、白色光源を利用した干渉測定器や微小球凹面測定用トワイマンーグリーン式干渉測定器では、微小凹面全体の形状誤差を一度に計測している。
上記の他にも、レーザ光や触針を用いて、微小凹面の形状誤差を計測する多くの方法が開発され、使用されている。
【０００６】
特許文献１には、レーザーオートフォーカスによる非接触寸法測定方法の例が開示されている。また、特許文献２には、触針式の輪郭形状測定方法及びその装置の例が開示されている。
【特許文献１】特許第3180091号
【特許文献２】特許第3025413号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述の触針式輪郭形状測定器を用いて微小凹面形状誤差を計測する方法では、断面ごとの形状誤差計測のため、計測に時間がかかるとともに、触針走査方向と垂直方向の計測結果の信頼性が低い。また接触測定のために被測定物に触針によるスクラッチが出来るなどの課題があった。
【０００８】
非接触光学式自動焦点計測器を用いて微小凹面形状誤差を計測する方法では、非接触であるためスクラッチができない点を除き、触針式輪郭形状測定器と同様の課題がある。
レーザ顕微鏡およびレーザプローブ式測定器を用いた方法も、非接触であるためスクラッチができない点を除き、触針式輪郭形状測定器と同様の課題があった。
【０００９】
さらに、白色光源を利用した干渉測定器や微小球凹面測定用トワイマンーグリーン式干渉測定器を用いた方法では、共通光路干渉計でないため温度変化や空気揺らぎ、振動などを抑制した厳しい測定環境制御が必要な上、計算に時間がかかる、また超精密切削などで発生しやすい微小な擦過傷が魔鏡効果により拡大されてしまうため、干渉縞とびが発生して計算できないことがある、といった課題があった。
【００１０】
図１２、図１３に本発明が対象としている被加工物３の加工形状を示す。この加工形状は、中心軸１周りに回転対称形状をした、ボール中心４からの曲率半径Ｒの微小凹面２である（図１２参照）。図１３は図１２のＡーＡ線上の断面である。このような微小凹面２を精密機械加工するときは、例えばシェービング法あるいはミーリング法などで行われる。
【００１１】
シェービング法は、ノーズ半径Ｒの単結晶ダイヤモンド工具を用いて、中心軸に対しその直角方向に、切り込みを制御しながら送る方法である。
ミーリング法は、ボール半径Ｒのダイヤモンドボールエンドミルを用いて、その軸周りに回転して加工する方法である。
【００１２】
シェービング法では、微小凹面に直角方向の送りと切り込み方向、ないしは回転方向の少なくとも同時２軸制御を行う必要があり、高精度な相対運動が必要である。しかも、運動軌跡が複雑なため、ダイヤモンド工具の送り方向と、送り方向に垂直な方向の形状が個別に発生するという問題がる。
【００１３】
一方、ミーリング法では、ボールエンドミルのチャッキング誤差や切れ刃陵の偏心により、ボールエンドミルの切れ刃が回転軸芯周りに振れ回った運動をする。その結果、要求された曲率半径Ｒとは異なる曲率半径Ｒ′の微小凹面が加工されるという問題がある。
【００１４】
これらの加工法により、微小凹面を精密に加工するには、工具の送りや切り込み、あるいは回転といった運動を精度よく測定し、運動誤差を限りなく０に補正して加工することが試みられている。しかし、形状誤差がサブミクロン以下になると、各運動を精度よく測定・補正することが難しくなるばかりでなく、他の運動の影響を強く受ける。そのため、微小凹面形状誤差を計測し、その形状誤差から各運動の誤差をそれぞれ推定して補正加工を行うことが不可欠である。
【００１５】
しかし、前述した測定法および測定器では、すべて工作機械とは別の測定器で測定することが必要なため、計測環境と加工環境が異なるとか、被測定物を取り外して測定した後に取付け直すことによる取付け誤差が発生すること、段取りに時間がかかる、等といった問題があった。このため、ミクロンあるいはサブミクロンといった加工形状精度が要求される場合には、
ａ．微小凹面形状誤差を計測すること、
ｂ．誤差から算出した補正運動により試し切削すること、
を、何度も繰り返し行わなければ、所要の加工形状精度が確保できない。
【００１６】
本発明は、上述の点に鑑み、微小凹面の形状誤差を、非接触で高速・高精度に計測でき、かつ精密加工機上で計測できる微小凹面形状の形状誤差機上計測方法及びその計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測方法は、被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、光源を有して集束光を発する光源モジュールと、集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、撮像素子と、レンズ鏡筒と撮像素子間に配置されたマイクロレンズアレイと、演算処理機能を有するコンピュータとを備え、レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、共焦点に配置されたピンホールとを有し、対物レンズを通して集光される集束光の集光位置と、微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系を構成し、コンピュータにより、撮像素子上に達する微小凹面から反射されマイクロレンズアレイにより形成された光線列を取り込み、撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、微小凹面の形状誤差を算出することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測方法は、被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、光源を有して集束光を発する光源モジュールと、光源と前記対物レンズ間にあって微小凹面からの反射光に影響しない位置に配置されて光線列を形成するマイクロレンズアレイと、集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、撮像素子と、演算処理機能を有するコンピュータとを備え、レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、共焦点に配置されたピンホールとを有し、対物レンズを通して集光される集束光の集光位置と、微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系を構成し、コンピュータにより、撮像素子上に達する微小凹面から反射された光線列を取り込み、撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、微小凹面の形状誤差を算出することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置は、被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、光源を有して集束光を発する光源モジュールと、集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、撮像素子と、レンズ鏡筒と撮像素子間に配置されたマイクロレンズアレイと、演算処理機能を有するコンピュータとを備え、レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、共焦点に配置されたピンホールとを有し、対物レンズを通して集光される集束光の集光位置と、微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系が構成され、コンピュータにより、撮像素子上に達する微小凹面から反射されマイクロレンズアレイにより形成された光線列を取り込み、撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、微小凹面の形状誤差を算出するようにして成ることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置は、被測定用の微小凹面に対向する対物レンズと、光源を有して集束光を発する光源モジュールと、光源と対物レンズ間にあって微小凹面からの反射光に影響しない位置に配置されて光線列を形成するマイクロレンズアレイと、集束光の光軸と軸心を共通にするレンズ鏡筒と、撮像素子と、演算処理機能を有するコンピュータとを備え、レンズ鏡筒が、共焦点を有する２個のレンズと、共焦点に配置されたピンホールとを有し、対物レンズを通して集光される集束光の集光位置と、微小凹面の曲率中心とを同じくして測定系が構成され、コンピュータにより、撮像素子上に達する微小凹面から反射された光線列を取り込み、撮像素子上の光線列の各重心位置と、事前に求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置との差異から、微小凹面の形状誤差を算出するようにして成ることを特徴とする。
【００２１】
上述のマイクロレンズに代えて回折格子を用いることもできる。
上述の事前に求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置としては、コンピュータにより事前に計算された重心位置を用いることができる。あるいは、事前に求めた微小凹面が理想形状である場合の光線列の重心位置としては、対物レンズの焦点位置と曲率中心位置を同一にして配した被測定対象物の要求仕様以上の形状精度を有する球面鏡、あるいは対物レンズの焦点位置に置かれた光軸に垂直な平面鏡からの反射光の光線列の重心位置を用いることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測方法及びその計測装置によれば、マイクロレンズアレイまたは回折格子を配置することにより、温度変化、空気の揺らぎ、振動といった外乱に強い幾何光学的な計測を行うことができ、走査や干渉などの計測手法に比べて計測を高速に行うことができる。また、２つのレンズとその共焦点に配置した空間周波数フィルタとなるピンホールとからなるレンズ鏡筒を配置することにより、このピンホールで微小凹面上の擦過傷の影響を受けた反射光を除去し、形状誤差の計測を高精度に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本実施の形態に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測方法及びその計測装置は、マイクロレンズアレイまたは回折格子を挿入することで、温度変化、空気揺らぎ、振動といった外乱に強い幾何学光学的な計測を行うことができ、走査や干渉などの計測手法に比べて計測速度も高速にできる。また、空間周波数フィルタを挿入することで、微小凹面上では特に問題になる擦過傷の影響を受け反射光を制限し、形状誤差計測を高精度にできる。
【００２４】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳述する。
【００２５】
図１及び図２に、本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置の一実施の形態、及びその原理構成を示す。本実施の形態の計測装置２１は、被測定用の微小凹面２２に対向する対物レンズ２３と、光源２４を有して集束光を発する光源モジュール２５と、集束光の光軸２６と軸心２７を共通にするレンズ鏡筒２８と、固体撮像素子本例ではＣＣＤ固体撮像装素子２９と、レンズ鏡筒２８とＣＣＤ固体撮像素子２９との間に配置された光を複数のスポットに分割する手段となる例えばマイクロレンズアレイ３１と、演算処理機能を有するコンピュータ（図示せず）とを備えて成る。
【００２６】
すなわち、対物レンズ２３、光源モジュール２５、レンズ鏡筒２８、マイクロレンズアレイ３１及びＣＣＤ固体撮像素子２９が、この順に共通な光軸をもって配置されており、これら全体がカバー３３にて覆われている（図１参照）。ＣＣＤ固体撮像素子２９の出力は、画像モニタおよび画像取得装置を組み込んだコンピュータ、いわゆるパーソナルコンピュータに取り込まれる。
【００２７】
光源モジュール２５は、光源本例ではレーザ光源２４と、偏光板３４と、コリメータレンズ３５と、直角プリズム３６と、偏光ビームスプリッタ３７と、１／４波長板３８とから構成されている。レンズ鏡筒２８は、共焦点を有する２つのレンズ４１及び４２と、共焦点位置に配置したピンホール４４（本例では焦点位置にピンホール４４を有するように配置されたピンホール板４３）とを有して構成される。ここで、一方の偏光ビームスプリッタ３７側のレンズ４１は、フーリエ変換レンズとして構成され、他方のマイクロレンズアレイ３１側のレンズ４２は、逆フーリエ変換レンズとして構成される。ピンホール板４３は、空間周波数フィルタとして機能する。
【００２８】
レンズ鏡筒２８を構成する２つのレンズ４１及び４２の残りの一方の焦点面ａと、マイクロレンズアレイ３１の一方の焦点アレイとが一致するようになされる（図３参照）。また、マイクロレンズアレイ３１の他方の焦点アレイｂの前方あるいは後方に光軸と直交するように撮像面ｃが位置するようにＣＣＤ固体撮像素子２９が配置される（図３参照）。レンズ鏡筒２８を構成する２つのレンズ４１及び４２の残りの他方の焦点位置が対物レンズ２３の焦点位置に合致される。
【００２９】
次に、この計測装置２１を用いて本実施の形態に係る被測定物の微小凹面の形状誤差を機上で計測する計測方法について説明する。
【００３０】
本実施の形態では、被測定物２０の微小凹面形状２２を凹球面形状とする。図２に示す計測装置２１は、その対物レンズ２３の焦点と凹球面形状２２の曲率中心が一致するように被測定対象物（以下、被測定物という）２０に対して配置される。計測装置２１における光源モジュール２５のレーザ光源２４から出射されたレーザ光は、例えば図２の紙面に平行な振動成分のみが偏光板３４を透過し、コリメータレンズ３５で平行光となって直角プリズム３６を通して偏光ビームスプリッタ３７に入射する。偏光ビームスプリッタ３７で全反射されたレーザ光は、１／４波長板３８を透過して円偏光になり、対物レンズ２３に入射する。
【００３１】
レーザ光は、対物レンズ２３により集束球面波となり焦点を結んだ後、対物レンズ２３の焦点と一致した位置に曲率中心を有する微小凹球面２２に照射される。微小凹球面２２で反射したレーザ光は、逆回転の円偏光となり、微小凹球面２２の形状誤差と擦過傷の情報を有しつつ対物レンズ２３を再び透過した後、１／４波長板３８により振動方向が図の紙面に垂直になって偏光ビームスプリッタ３７に入射する。偏光ビームスプリッタ３７に入射したこの戻りのレーザ光は、偏光ビームスプリッタ３７を透過し、レンズ鏡筒２８のレンズ４１に入射する。
【００３２】
レーザ光はレンズ４１によりフーリエ変換され、焦点に配置されたピンホール４４によりレーザ光からの擦過傷成分のみが取り除かれる。すなわち、凹球面形状２２内に形成された擦過傷で反射された擦過傷光成分（空間周波数が高い凹凸面で反射した光成分）は、ピンホール４４から外れた位置に焦点を結ぶためピンホール（いわゆる空間周波数フィルタ）４４を透過せず、したがって、このピンホール板４３で取り除かれる。ピンホール４４を透過したレーザ光は、レンズ４２により逆フーリエ変換され、微小凹球面２２の形状誤差成分を有する波面が再生される。再生された波面のレーザ光は、マイクロレンズアレイ３１に入射し、マイクロレンズのピッチ間隔に応じた複数のビーム列に分割されてＣＣＤ固体撮像素子２９に入射し、スポット列画像が取得される。
【００３３】
そして、ＣＣＤ固体撮像素子２９により取得されたスポット列画像を、パーソナルコンピュータに取り込んだ後、微小凹球面２２の形状誤差を算出する。
【００３４】
次に、スポット列画像から微小凹球面２２の形状誤差算出の手順を図５〜図９を用いて説明する。図５には手順を示すフローチャートを、図６にはスポットと外乱光の判別を、図７には個々のスポットでの重心判別を、図８には重心位置マップ例を、図９には台形積分方向の説明を示している。なお、取得画像は、ビットマップ画像として説明している。
【００３５】
先ず、図５に示すように、ステップＳ１において、スポット列画像から個々のスポットを別々のものと判別できる閾値で２値化（輝度の明と暗の２値化）する。このステップＳ１では、図６に示すように、２値化されて明るい画素４５が多く集まった領域４６と、同じく明るい画素４５が少なく集まった領域４７が得られる。
【００３６】
次に、ステップＳ２において、閾値を越えた２値化画像のうち、少なくとも後述する所要の点数以上（ＣＣＤ固体撮像素子２９の撮像面ｃにおける明るい単位画素４５を１点とする）が隣接している点像以外を外乱光と見做し、図７に示すように、外乱光と見做された点像（領域４７）を画像から消去する。ここで、最大の点数の１０％以下の点数の場合は、外乱光と見做す。このステップＳ２の処理において、このとき、残った閾値以上の像のまとまりを１つのスポット（領域４６に相当）と見做してその数を数え、事前に計算しておいた理想形状を持つ微小凹球面２２の場合のスポット数と同数であれば次の処理、すなわちステップＳ３に進む。同数でなければ、２値化のレベルを変えて２値化からの処理（ステップＳ１）を繰り返す。
【００３７】
次に、ステップＳ３において、個々のスポットについて、それぞれ画像上のＸ方向（水平方向）の重心を算出する。個々のスポットにおけるＸ方向の重心は、スポット内のＸ方向の個々のビットにおける閾値以上の輝度を持つＹ方向（垂直方向）のビット数を重みとした加重平均より求める。例えば図７について見ると、Ｘ＝５（画素数で５番目）ではＹ方向の明の画素が２つ、Ｘ＝６ではＹ方向の明の画素が４つ、Ｘ＝７ではＹ方向の明の画素が６つ、・・Ｘ＝１７ではＹ方向の明の画素が１つ、となり、これに基いてＸ方向の重心位置ＸＧを下記数１から求める。Ｙ方向の重心位置ＹＧ についても、同様にスポット内のＹ方向の個々のビットにおける閾値以上の輝度を持つＸ方向のビット数を重みとした加重平均より求める。このようにして、個々のスポットにおける重心位置Ｇ（ＸＧ，ＹＧ ）を求める。
【００３８】
【数１】
2007033263.tif 000003
ここで、
Ｋｐ．Ｋｑ：白点（明の画素）の総数である。
Ｘｐ：Ｘ方向の白点（明の画素）の数である。
Ｙｑ：Ｙ方向の白点（明の画素）の数である。
【００３９】
このようにして、図８に示す個々のスポット５８（●印参照）の重心位置マップ５９が作成される。
【００４０】
作成された重心位置マップ５９に対し、例えばパーソナルコンピュータにより事前に計算した理想形状を持つ微小凹球面の場合の個々のスポット６０の重心位置マップ６１（図８の○印参照）を比較し、個々のスポット５８ごとの重心位置の差異ΔＸ，ΔＹから実際に測定した微小凹球面の形状誤差の傾きを算出する。
【００４１】
なお、微小凹球面の形状誤差は、重心位置ごとの差異を台形積分することにより算出できるが、積分誤差の影響を抑えるため、図９に示すように、台形積分をＸ→Ｙの方向の経路１と、Ｙ→Ｘの方向の経路２とを２つ別々に行い、その平均を微小凹球面の形状誤差としている。形状誤差Ｗは数２の式で求められる。
【００４２】
【数２】
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ここで、
ΔＸ，ΔＹ：理想形状のときのスポット重心位置と実際のスポット重心位置との差である。
δｘｎ−１，δｙｍ−１：ｎとｎ−１のスポット間隔、ｍとｍ−１のスポット間隔である。
ｄ：理想のスポット間隔である。
【００４３】
上例では、本実施の形態の計測方法及びその計測装置を微小凹球面の形状誤差の計測に適用したが、凹球面以外の例えば放物面などの非凹球面等の形状誤差を計測する場合にも適用できる。すなわち、本実施の形態では、微小凹球面、微小非凹球面を含む微小凹面の形状誤差の計測を可能にする。
【００４４】
上述のように構成した計測装置２１は、図４に示すように精密工作機械に搭載される。図４は、図１に示す計測装置（いわゆる振れ測定装置）２１を搭載した門型フライス盤に適用した例である。図４において、７１は門型フライス盤を全体として示し、この門型フライス盤５１に一方向（矢印ａ方向）を往復動するように加工台７２が配置され、この加工台７２上に載置された被加工物（図２の被測定物２０に対応する）７３の上面に複数の凹面形状２２の加工が施される。一方、被加工物７３に対応する上方に支持されて、加工台７２の面に対して垂直方向（矢印ｂ方向）に往復動、水平方向（矢印ｃ方向）に往復動可能に図１に示す構成の計測装置（振れ測定装置）２１がその対物レンズ２３を被加工物７３に対向するように取付けられる。
【００４５】
この門型フライス盤７１では、被加工物７３に所望の微小凹球面２２を加工した後、機上において、計測装置（振れ測定装置）２１を計測すべき微小凹面に対して所定位置まで降下させると共に水平面内での微小凹面との相互位置を設定する。その後、微小凹球面２の形状誤差を計測し、その形状誤差をフィードバックさせて門型フライス盤の研削手段を微調整して最終的に形状誤差が可及的に０になる微小凹球面２２を加工するようになす。
【００４６】
上述の本実施の形態に係る計測方法及びその計測装置によれば、マイクロレンズアレイ３１を挿入した幾何光学的な計測により温度変化、空気揺らぎ、振動といった外乱の影響されずに、微小凹面２２の形状誤差を、非接触で高速に計測することができる。さらに空間周波数フィルタとしてのピンホール４４を挿入したレンズ鏡筒２８を挿入することにより、微小凹面２２上で問題となる擦過傷の影響を受けた反射光を除去することができ、高精度に計測することができる。しかも精密工作機械の機上で直接計測することができるので、更なる高速・高精度の計測を可能にする。特に、サブミクロン以下の形状誤差を精度良く計測することができる。
【００４７】
図１０に本発明に係る計測装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態の計測装置８１は、レーザ光源２４と対物レンズ２３間にあって微小凹面２２からの反射光に影響しない位置にスポット列を形成するマイクロレンズアレイ３１を配置して構成される。すなわち、本例ではマイクロレンズアレイ３１をレーザ光源２４と偏光板３４との間に配置して、先にスポット列を形成するように構成される。その他の構成は図２と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４８】
本実施の形態の計測装置においても、図２の実施の形態で説明したと同様に、非接触で高速・高精度で微小凹面の形状誤差を計測することができる。
【００４９】
図１１に、本発明に係る計測装置の他の実施の形態を示す。本実施の形態の計測装置８４は、理想形状のスポット（光線）列の重心位置を事前に求める手段として、前述のパーソナルコンピュータ内で予め計算により求めるのに代えて、対物レンズ２３の焦点位置と曲率中心位置を同一にする球面鏡８５、すなわち被測定対象物の要求仕様以上の形状精度を有する球面鏡８５を配置し、この球面鏡８５からの反射光のスポット列の重心位置を使用するように構成される。例えば、球面鏡８５は、測定する微小凹面２２と取り替えて同様の位置、あるいは曲率中心を同じくする位置に置く。図１１の球面鏡８５では、曲率半径の大きな例を示す。理想形状のスポット（光線）列の重心位置を事前に求める他の手段としては、対物レンズ２３の焦点位置に置かれた平面鏡８６、すなわち光軸に垂直な平面鏡８６からの反射光のスポット列の重心位置を使用するように構成される。その他の構成は図２と同様であるので、対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。計測時には球面鏡８５あるいは平面鏡８６は取り除かれる。
【００５０】
この図１１の方法の良い点は、光学系を組んだ後に理想形状のスポット列の重心が得られるので、取付けの誤差の影響を全てキャンセルできる。勿論、前述の図２の実施の形態と同様に、非接触で高速・高精度で微小凹面の形状誤差を計測することができる。
【００５１】
さらに、上述の各実施の形態において、マイクロレンズアレイに代えて、回折格子を配置した構成とすることもできる。この回折格子の例としては、縦横のスリット列を重ねて両スリットの交点の透過孔を利用して、スポット列を形成するようになす。あるいはファイバーグレーティング（ファイバーの回折格子）を用いてスポット列を形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置の一実施の形態の原理的構成図である。
【図３】図２の要部の拡大図である。
【図４】本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置を搭載した精密工作機械の一実施の形態を示す構成図である。
【図５】本発明に係る微小凹球面の形状誤差算出の手順を示すフローチャートである。
【図６】スポットと外乱光の判別の説明に供する説明図である。
【図７】スポットの重心判別の説明に供する説明図である。
【図８】重心位置マップの例を示す重心位置マップ図である。
【図９】本発明に係る形状誤差を台形積分で算出する際の積分経路を示す説明図である。
【図１０】本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図１１】本発明に係る微小凹面形状の形状誤差機上計測装置の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図１２】加工対象とする微小凹面を示す概略斜視図である。
【図１３】図１２のＡーＡ線上の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
２０・・被測定対象物、２１、８１、８４・・微小凹面形状の形状誤差機上計測装置、２２・・微小凹面、２３・・対物レンズ、２４・・レーザ光源、Ｌ・・レーザ光、２５・・光源モジュール、２６・・光軸、２７・・軸心、２８・・レンズ鏡筒、２９・・固体撮像素子、３１・・マイクロレンズアレイ、３４・・偏光板、３５・・コリメータレンズ、３６・・直角プリズム、３７・・偏光ビームスプリッタ、３８・・１／４波長板、４１、４２・・レンズ、４３・・ピンホール板、４４・・ピンホール、４５・・固体撮像素子の単位画素、４６・・スポットと見做す領域、４７・・外乱と見做す領域、５８・・実際の測定されたスポット重心位置、５９・・実際の測定されたスポット重心位置マップ、６０・・理想形状のスポット重心位置、６１・・理想形状のスポット重心位置マップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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